KR102025676B1 - 토륨을 함유하는 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로 - Google Patents

토륨을 함유하는 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로용 연료 다발로서, 몇몇 구현예에 있어서, 이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트; 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트를 포함하는, 원자로용 연료 다발을 개시한다. 본 발명은 또한, 상기 연료 다발을 사용하는 원자로로서, 가압 중수로를 포함하는 원자로를 개시한다. 상이한 핵분열성 내용물을 가진 우라늄은, 천연 우라늄, 열화 우라늄, 재생 우라늄, 약간 농축된 우라늄 및 저농축 우라늄의 조합을 포함할 수 있다.

Description

토륨을 함유하는 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로 {NUCLEAR FUEL BUNDLE CONTAINING THORIUM AND NUCLEAR REACTOR COMPRISING SAME}
본 발명은 원자로에 사용하기 위한 핵 연료로서 토륨을 함유하는 핵연료 다발에 관한 것이다.
원자로는 우라늄-235(235U)와 같은 핵연료 내의 핵분열성(fissile) 원자의 핵에 의해 자유 중성자가 흡수되는 핵 연쇄반응(즉, 핵 분열)으로부터 에너지를 생성한다. 해당 기술 분야에 널리 알려져 있는 바와 같이, 자유 중성자가 흡수되면, 핵분열성 원자는 쪼개져서 더 가벼운 원자로 되고, 다른 핵분열성 원자에 의해 흡수되는 더 많은 자유 중성자를 방출함으로써, 핵 연쇄반응이 이루어진다. 핵 연쇄반응으로부터 방출되는 열 에너지는 당업자에게 잘 알려져 있는 여러 가지 다른 공정을 통해 전기 에너지로 변환된다.
본 발명의 목적은 원자로에 사용하기 위한 핵 연료로서 토륨을 함유하는 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로를 제공하는 것이다.
본 발명의 몇몇 구현예에 있어서, 이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트; 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트를 포함하는, 원자로용 연료 다발을 제공한다.
본 발명의 몇몇 구현예는, 이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트; 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트를 가진, 원자로용 연료 다발의 제조 방법 및 사용 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 몇몇 구현예는, 이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트; 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트를 가진, 하나 이상의 연료 다발을 포함하는 원자로를 제공한다.
몇몇 구현예에 있어서, 이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트; 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트를 가진, 전술한 바와 같은 임의의 연료 다발 및 방법이 가압 중수형 원자로에 사용되는데, 상기 연료 다발은 하나 이상의 가압수 튜브 내에 위치하고, 가압수는 이 원료 다발을 지나 흐르고, 상기 연료 다발로부터 열을 흡수하고, 상기 연료 다발의 하류에서 작업을 수행한다.
본 발명의 다른 측면은 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조함으로써 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 원자로용 핵 연료로서 토륨을 함유하는 핵연료 다발 및 그것을 포함하는 원자로가 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제1 구현예의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제2 구현예의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제3 구현예의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제4 구현예의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제5 구현예의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제6 구현예의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 핵연료 다발의 제7 구현예의 단면도이다.
도 8은 도 1 내지 7의 핵연료 다발 중 어느 하나를 이용하는 원자로의 개략도이다.
본 발명의 구현예를 설명하기 전에 알아야 할 것은, 본 발명은 본 발명의 적용에 있어서 이하의 설명에 제시되고 첨부 도면에 예시되는 구현예의 상세한 내용 및 컴포넌트의 구성에 한정되지 않는다는 것이다. 본 발명은 다른 구현예를 포함하여 실행될 수 있고, 또는 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
도 1 내지 7은, 도 8에 그 일부가 개략적으로 도시되어 있는 가압 중수형 원자로(10)(예; Canadian Deuterium Uranium(CANDU) 타입의 원자로)와 같은 원자로에 사용되는 핵연료 다발의 다양한 구현예를 나타낸다. 본 발명의 다양한 구현예에 대한 이하의 설명은, 그 내부에 연료 다발(14)이 위치해 있는 가압 수평관을 가진 가압 중수형 원자로와 관련하여 제공된다. 본 발명에 따른 이러한 원자로 환경 및 연료 다발의 적용은 단지 예로서 제시되는 것이며, 본 발명은 다른 타입의 원자로에 사용하기에 적합한 연료 다발에도 적용될 수 있는 것으로 이해된다.
도 8을 참조하면, 가압 중수형 원자로(10)의 노심(reactor core)은 하나 이상의 연료 다발(14)을 포함한다. 원자로(10)가 복수 개의 연료 다발(14)을 포함할 경우, 연료 다발(14)은 압력관(18) 내에 엔드-투-엔드(end-to-end) 방식으로 배치될 수 있다. 다른 유형의 원자로에서는, 희망하는 바에 따라 다른 방식으로 배열될 수 있다. 각각의 연료 다발(14)은 연료 엘리먼트(22)의 세트("핀(pin)"으로 지칭되기도 함)를 포함하고, 그 각각은 핵연료 및/또는 다른 엘리먼트 또는 화학물질(예; 가연성 독물)을 함유하는데, 이에 대해 도 1 내지 7과 결부시켜 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다. 원자로(10)가 가동중에 있을 때, 중수 냉각제(26)는 연료 다발(14) 위로 흘러 연료 엘리먼트를 냉각시키고, 핵분열 공정으로부터 열을 제거한다. 냉각제(26)는 또한 열을 스팀 발생기(30)에 전달하고, 스팀 발생기는 터빈(34)과 같은 원동기를 구동하여 전기 에너지를 생산한다.
1996년 4월 25일에 출원된 캐나다 특허출원 제2,174,983호에는 본 명세서에 기재되고 예시된 본 발명의 연료 다발(14)과 유사한 방식으로 사용되는 원자로용의 다른 연료 다발이 기재되어 있다. 캐나다 특허출원 제2,174,983호의 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
도 1 내지 7은 압력관(18)에 위치한 연료 다발(14)의 다양한 구현예의 단면을 나타낸다. 압력관(18) 내에는 중수 냉각제(26)가 수용되고, 연료 엘리먼트들(22) 사이의 서브채널을 차지한다. 연료 엘리먼트(22)는 중앙 엘리먼트(38), 상기 중앙 엘리먼트(38)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 위치한 복수 개의 제1 엘리먼트(42), 상기 복수 개의 제1 엘리먼트(42)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 위치한 복수 개의 제2 엘리먼트(46), 및 상기 복수 개의 제2 엘리먼트(46)로부터 바깥쪽으로 방사상으로 위치한 복수 개의 제3 엘리먼트(50)를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서, 연료 다발은 이보다 적거나 많은 엘리먼트를 포함할 수 있고, 도 1 내지 7에 예시된 것과는 다른 구성으로 된 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 연료 엘리먼트(22)는 하나 이상의 평면에 서로 평행하게 설치될 수 있고, 매트릭스로 배열되거나, 블록 형상 또는 임의의 다른 형상을 가진 어레이로 배열될 수 있고, 임의의 다른 패턴 또는 무패턴 구성으로 배열될 수 있다. 압력관(18), 연료 다발(14) 및/또는 연료 엘리먼트(22)는 또한 다양한 형상과 크기로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압력관(18), 연료 다발(14) 및 연료 엘리먼트(22)는 희망하는 바에 따라 임의의 단면 형상(도 1 내지 7에 도시된 원형이 아닌 형상) 및 크기를 가질 수 있다. 또 다른 예로서, 압력관(18)과 연료 다발(14)은 임의의 상대적 크기(도 1 내지 7에 도시된 압력관(18)과 연료 엘리먼트(22)의 균일한 크기 또는 2종 크기 버전이 아닌 것)를 가질 수 있다.
도 1 내지 6의 각각의 구현예에 있어서, 43개 엘리먼트 연료 다발(14)이 도시되어 있다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 7개의 엘리먼트를 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 14개의 엘리먼트를 포함한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 21개의 엘리먼트를 포함한다. 중앙 엘리먼트(38), 복수 개의 제1 엘리먼트(42), 복수 개의 제2 엘리먼트(46), 및 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 모든 엘리먼트(22)들이 서로 평행하도록 동심으로(concentrically) 배열되어 있다. 중앙 엘리먼트(38) 및 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 각각 제1 단면 크기(또는, 원형 단면 형상을 가지는 엘리먼트의 경우에는 직경)를 가지고, 복수 개의 제2 엘리먼트(46) 및 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 각각 상기 제1 단면 크기와는 상이한 제2 단면 크기(또는, 원형 단면 형상을 가지는 엘리먼트의 경우에는 직경)를 가진다. 특히, 제1 단면 크기는 제2 단면 크기보다 크다. 이와 관련하여, "단면 형상"이라는 용어는, 본체(body)의 길이 방향 축에 수직인 배향에서 지칭되는 본체를 관통하는 평면에 의해 만들어지는 단면 형상을 의미한다. 또한, 대체로 원형인 엘리먼트(22)의 위치를 표시하는 도 1 내지 6에 포함된 선은 예시를 위한 것일 뿐이고, 엘리먼트들이 반드시 함께 묶여 있거나 또는 특별한 배열로 결합되어 있다는 것을 표시하는 것은 아님을 이해해야 한다.
도 7의 구현예에 있어서, 모든 연료 엘리먼트(22)가 균일한 단면 크기(또는, 원형 단면 형상을 가지는 엘리먼트의 경우에는 직경)를 가지는 37개 엘리먼트 연료 다발이 도시되어 있다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 6개의 엘리먼트를 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 12개의 엘리먼트를 포함한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 대체로 원형 패턴으로 서로 평행하게 배열된 18개의 엘리먼트를 포함한다. 중앙 엘리먼트(38), 복수 개의 제1 엘리먼트(42), 복수 개의 제2 엘리먼트(46), 및 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 모든 엘리먼트(22)들이 서로 평행하도록 동심으로 배열되어 있다. 대체로 원형인 엘리먼트(22)의 위치를 표시하는 도 7에 포함된 선은 예시를 위한 것일 뿐이고, 엘리먼트들이 반드시 함께 묶여 있거나 또는 특별한 배열로 결합되어 있다는 것을 표시하는 것은 아님을 이해해야 한다.
몇몇 구현예에 있어서, 각각의 연료 엘리먼트(22)는 핵연료로 채워진 관을 포함한다. 상기 관은 지르코늄, 지르코늄 합금, 또는 몇몇 경우에 중성자 흡수율이 낮은 것을 특징으로 하는 다른 적합한 재료 또는 재료들의 조합으로 만들어지거나 그러한 재료를 포함할 수 있다. 상기 관은 핵연료 단독 또는 다른 물질들과의 조합과 같은 1종 이상의 물질로 채워질 수 있다. 상기 물질(들)은 펠렛 형태, 분말 형태, 또는 다른 적합한 형태나 형태들의 조합으로 되어 있을 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 각각의 연료 엘리먼트(22)는, 다른 재료의 매트릭스 내에 수용된 핵연료와 같은 1종 이상의 물질로(예를 들면, 핵연료 단독 또는 다른 물질들과의 조합으로) 형성된 봉(rod)을 포함한다. 또 다른 구현예에 있어서, 연료 엘리먼트(22)는 관과 봉의 조합 및/또는 다른 구성을 포함할 수 있고, 연료 엘리먼트(22)는 특별한 용도에 적합한 다른 구성으로 이루어질 수 있다.
도 1 내지 7에 도시된 바와 같이, 연료 엘리먼트(22)는 이산화토륨(ThO2), 열화(劣化) 우라늄(depleted uranium; DU), 천연 우라늄(NU), 재생 우라늄(RU), 약간 농축된 우라늄(SEU) 및 저농축 우라늄(LEU)과 같은 핵연료들의 다양한 조합을 포함할 수 있고, 이것들에 대해 이하에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서와, 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 연료 다발(14), 연료 엘리먼트(22) 또는 기타 다른 구성요소에 포함된 물질의 구성 성분에 대한 "퍼센트"의 표시는 달리 명시되지 않는 한 중량%를 의미한다. 본 명세서에 정의된 바에 따르면, DU는 약 0.2중량% 내지 약 0.5중량%의 235U(약 0.2중량% 및 약 0.5중량% 포함)의 핵분열성 내용물을 가지고, NU는 약 0.71중량%의 235U의 핵분열성 내용물을 가지고, RU는 약 0.72중량% 내지 약 1.2중량%의 235U(약 0.72중량% 및 약 1.2중량% 포함)의 핵분열성 내용물을 가지고, SEU는 약 0.9중량% 내지 약 3중량%의 235U(약 0.9중량% 및 약 3중량% 포함)의 핵분열성 내용물을 가지고, LEU는 약 3중량% 내지 약 20중량%의 235U(약 3중량% 및 약 20중량% 포함)의 핵분열성 내용물을 가진다.
도 1의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨 및/또는 가돌리늄이나 디스프로슘과 같은 가연성 독물(BP)을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 0∼10체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼7체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼6체적%의 BP가 사용된다. 또 다른 구현예에 있어서, 0∼3체적%의 BP가 사용된다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 제1 핵분열성 내용물(LEU1)을 가진 LEU를 포함하고, 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 각각 상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물(LEU2)을 가진 LEU를 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물(LEU1)은 전술한 범위로부터 선택되고, 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물(LEU2)도 전술한 동일한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, LEU1는 약 4중량%의 235U의 핵분열성 내용물을 가질 수 있고, LEU2는 약 4.5중량%의 235U의 핵분열성 내용물을 가질 수 있다. 도 1의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 도 1에 도시된 임의의 연료 엘리먼트(22)에 포함될 수 있다. 또한, 위에 기재된 BP의 임의량이 본 명세서에 기재되고 및/또는 예시된 각각의 연료 다발 구현예의 연료 엘리먼트 중 어느 하나 또는 모두에 포함될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 외측 2개의 복수 개의 엘리먼트 중 하나(즉, 복수 개의 제2 엘리먼트(46) 또는 복수 개의 제3 엘리먼트(50) 중 어느 하나)는 LEU 대신에 DU, NU, RU 또는 SEU를 포함할 수 있고, 외측 2개의 복수 개의 엘리먼트 중 다른 하나에 있는 LEU의 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가질 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 그러나, 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
도 2의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨 및/또는 가돌리늄이나 디스프로슘과 같은 가연성 독물(BP)을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서,체적 기준으로 0∼10체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼7체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼6체적%의 BP가 사용된다. 또 다른 구현예에 있어서, 0∼3체적%의 BP가 사용된다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 RU와 SEU의 블렌드(본 명세서에서는 일반적으로 사선 "/"을 이용하여 표시됨)(RU/SEU)1인 제1 핵분열성 내용물을 포함하는데, 이것은 제한되지는 않지만 산용액 또는 건조 혼합과 같은 종래 공지되어 있는 임의의 방법을 이용하여 블렌딩된다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 RU와 SEU의 제2 블렌드(RU/SEU)2를 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물(RU/SEU)1은 약 0.72중량% 내지 약 3중량%의 235U 범위(상하 경계값 포함)로부터 선택된다는 것을 이해해야 한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물(RU/SEU)2도 동일한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다. 도 2의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 임의의 연료 엘리먼트(22) 중에 포함될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 그러나, 다른 구현예에 있어서, 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다. 일반적으로, RU는 SEU와 혼합되는 것에 한정되지 않는다는 것도 알아야 한다. 다른 구현예에 있어서, 얻고자 하는 레벨의 평균 핵분열성 내용물을 생성하도록, RU는 LEU 또는 고농축 우라늄(HEU)과 혼합될 수 있다.
도 3의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨을 포함하고, 복수 개의 제1 엘리먼트(42)도 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 제1 핵분열성 내용물(RU1)을 가진 RU를 포함하고, 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물(RU2)을 가진 RU를 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물(RU1)은 전술한 범위로부터 선택되고, 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물(RU2)도 전술한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다는 것을 이해해야 한다. 도 3의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 임의의 연료 엘리먼트(22) 중에 포함될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
도 4의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨을 포함하고, 복수 개의 제1 엘리먼트(42)도 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제1 핵분열성 내용물을 가진다. RU와 DU의 블렌드가 사용되는 경우에, 그 물질들은, 제한되지는 않지만 산 용액 또는 건조 혼합과 같은 종래 공지의 방법을 이용하여 블렌딩된다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제2 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)2을 가진다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물은 약 0.2중량% 내지 약 3중량%의 235U 범위(상하 경계값 포함)로부터 선택된다는 것을 이해해야 한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물도 동일한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다. 도 4의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 임의의 연료 엘리먼트(22) 중에 포함될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하고, 마찬가지로 복수 개의 제3 엘리먼트(50)도 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하는데, 제1 핵분열성 내용물은 제2 핵분열성 내용물과는 상이하다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
도 5의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨과 BP의 블렌드(ThO2/BP) 또는 DU와 BP의 블렌드(DU/BP)를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 0∼10체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼7체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼6체적%의 BP가 사용된다. 또 다른 구현예에 있어서, 0∼3체적%의 BP가 사용된다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제1 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)1을 가진다. RU와 DU의 블렌드가 사용되는 경우에, 그 물질들은, 제한되지는 않지만 산 용액 또는 건조 혼합과 같은 종래 공지의 방법을 이용하여 블렌딩된다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)2을 가진다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)1은 약 0.2중량% 내지 약 3중량%의 235U 범위(상하 경계값 포함)로부터 선택된다는 것을 이해해야 한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)2도 동일한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다. 도 5의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 임의의 연료 엘리먼트(22) 중에 포함될 수 있다. 또한, 몇몇 구현예에 있어서, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하고, 마찬가지로 복수 개의 제3 엘리먼트(50)도 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하는데, 제1 핵분열성 내용물은 제2 핵분열성 내용물과는 상이하다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
도 6의 구현예에 있어서, 중앙 엘리먼트(38)는 이산화토륨과 BP의 블렌드(ThO2/BP) 또는 이산화토륨을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 0∼10체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼7체적%의 BP가 사용된다. 다른 구현예에 있어서, 0∼6체적%의 BP가 사용된다. 또 다른 구현예에 있어서, 0∼3체적%의 BP가 사용된다. 복수 개의 제1 엘리먼트(42)는 이산화토륨을 포함한다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제1 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)1을 가진다. RU와 DU의 블렌드가 사용되는 경우에, 그 물질들은, 제한되지는 않지만 산 용액 또는 건조 혼합과 같은 종래 공지의 방법을 이용하여 블렌딩된다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)는 RU와 DU의 블렌드 및/또는 SEU를 포함하고, 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)2을 가진다. 복수 개의 제2 엘리먼트(46)의 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)1은 약 0.2중량% 내지 약 3중량%의 235U 범위(상하 경계값 포함)로부터 선택된다는 것을 이해해야 한다. 복수 개의 제3 엘리먼트(50)의 핵분열성 내용물(RU/DU 및/또는 SEU)2도 동일한 범위로부터 선택되지만, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)용으로 선택된 핵분열성 내용물과는 상이하다. 도 6의 몇몇 구현예에 있어서, BP는 임의의 연료 엘리먼트(22) 중에 포함될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)는 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하고, 마찬가지로 복수 개의 제3 엘리먼트(50)도 각각 대응하는 핵분열성 내용물 범위 내에 RU, DU 또는 SEU를 포함하는데, 제1 핵분열성 내용물은 제2 핵분열성 내용물과는 상이하다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
도 7의 구현예는, 연료 다발(14)이 전술한 바와 같이, 균일한 크기를 가진 연료 엘리먼트(22)를 가진 37개 엘리먼트의 연료 다발인 것 이외에는, 전술한 도 6의 구현예와 실질적으로 유사하다. 중앙 엘리먼트, 복수 개의 제1, 제2 및 제3 엘리먼트(38, 42, 46, 50) 각각에서의 핵연료의 분포는 도 6과 유사하고, 따라서 전술한 바와 같다. 도 7의 구현예는, 본 발명을 구현하면서 특정 갯수의 연료 엘리먼트, 연료 엘리먼트 배열(예를 들면, 도시된 구현예에서 엘리먼트의 환), 연료 엘리먼트 크기, 및 상대적 연료 엘리먼트 크기가 어떻게 변할 수 있는지에 대한 예를 제시한다. 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소된다. 다른 구현예에서는, 핵분열성 내용물이 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
대안적으로, 도 4 내지 7의 임의의 구현예는 외측 두 가지 복수 개의 엘리먼트 모두(즉, 복수 개의 제2 엘리먼트(46)와 복수 개의 제3 엘리먼트(50) 모두)에서 농축 우라늄의 단일 핵분열성 내용물을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 예를 들면, 단일 핵분열성 내용물은 1.8중량%보다 큰 범위로부터 선택된다. 또 다른 예로서, 단일 핵분열성 내용물은 1.7중량%보다 큰 범위로부터 선택된다.
다른 구현예에 있어서, 구동 연료의 제1 엘리먼트의 핵분열성 내용물이 구동 연료의 제2 엘리먼트의 핵분열성 내용물과 상이하도록, 연료 다발(14)의 2개의 상이한 지점에 있는 RU, DU, LEU, NU 및 SEU의 임의의 조합(구동 연료)이, 연료 다발(14)의 다른 지점에서의 이산화토륨 및/또는 BP와 함께 사용될 수 있다. 구동 연료는, 핵분열성이 아닌 232토륨을 핵분열성인 233우라늄으로 변환시켜, 이산화토륨이 원자로 내에서 효과적으로 연소되도록 하는 데 필요한 중성자를 제공한다. BP는 안전성 관련 파라미터를 증강시키기 위해 사용되고, 가장 중요하게는 냉각제 공백 반응성(coolant void reactivity; CVR) 및 연료 온도 계수(FTC)를 높이기 위해 사용된다. 앞에서 언급한 바와 같이, BP는 연료 다발(14) 내의 임의의 엘리먼트 또는 지점에 포함될 수 있고, 또는 단일 엘리먼트 또는 지점에 포함될 수도 있다(즉, 연료 엘리먼트 내 연료와 혼합되지 않거나, 또는 연료 엘리먼트 위치에서 연료와 함께 포함됨). 또한, 몇몇 구현예에 있어서, 핵연료의 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 감소되는 반면, 다른 구현예에서, 핵분열성 내용물은 연료 다발(14)의 중심으로부터 바깥쪽으로 방사상 방향으로 증가된다.
본 명세서에 기재된 구현예는 현재의 압력관 원자로에서 사용되는 것보다 더 크거나 더 작은 압력관과 함께 사용될 수도 있고, 향후 중수 압력관 원자로에 사용될 수도 있다. 본 발명의 연료 다발(14)은 또한, 열 전달 및 감속제(moderator) 시스템에서 액체/기체의 상이한 조합과 함께 압력관 원자로에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 엘리먼트의 상이한 개수와 배열을 가진 연료 다발에 사용될 수 있고, 도 1 내지 7에서 예시적으로 도시된 것과 같은, 43개 엘리먼트 및 37개 엘리먼트 연료 다발 디자인에 한정되지 않는다.
토륨 및 우라늄 동위원소(불균질하거나 균질한) 조성물을 사용하는 연료 다발은 원자로의 파워 계수, 다발 파워, 채널 파워, 플럭스 레벨(flux level), 코어 플렉스 형상, 임계 열속(critical heat flux) 및 코어 공백 반응성의 보다 정밀한 제어를 가능하게 함으로써, 자원 활용도를 현저히 증대시키면서 안전성 요건을 용이하게 달성할 수 있게 한다.
본 명세서에 기재된 임의의 연료는 불활성 매트릭스 캐리어 내에 제공될 수 있고, 및/또는 연료 연소를 증가시키고 베이스 연료의 기계적 성질의 제약을 피할 수 있도록 사용될 수 있으므로, 연료 자원의 활용도를 더욱 증대시킬 수 있다. 그러한 첨가제/캐리어도, 예를 들면, 디자인 기준 및 열전달 계수와 관련된 핵분열성 가스 방출의 보다 정밀한 제어를 가능하게 할 것이다.
또한, 중수 냉각형 원자로에 있어서, 냉각제 공백(coolant voiding) 현상이 일어날 때 중성자 증배 속도가 증가된다. 냉각제 공백 현상은, 예를 들면, 냉각제가 비등하기 시작할 때 일어난다. 냉각제 공백 반응성은 중성자를 배증시키는 원자로의 능력에 대한 척도이다. 이 현상은 포지티브 냉각제 공백 반응성에 기인하며, 바람직하지 않은 현상이다. 본 발명은 냉각제 공백 반응성을 현저히 감소시킬 수 있고, 또한 네거티브 연료 온도 계수 및/또는 네거티브 파워 계수를 제공할 수 있다.
이상과 같이 설명되고 도면에 도시된 구현예는 단지 예시를 목적으로 제시된 것이며, 본 발명의 개념과 원리를 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 당업자는 엘리먼트와 그의 구성과 배열에 있어서 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 다양한 변화가 가능하다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 본 명세서에 기재 및/또는 예시된 다양한 구현예에 있어서, LEU와 SEU는 여러 가지 타입의 핵연료와 블렌딩되어 얻고자 하는 핵분열성 내용물을 가진 핵연료가 제조된다. 다른 구현예에 있어서, 고농축 우라늄(HEU) 및/또는 LEU는 본 명세서에 기재된 여러 가지 타입으로 블렌딩되어 동일한 핵분열성 내용물을 가진 핵연료가 제조될 수 있음을 알아야 한다. 그러한 HEU 및 LEU 핵연료 블렌드는 본 발명의 모든 구현예에 적용된다.

Claims (73)

  1. 원자로의 복수의 관(tubes) 중 하나의 관 내에 배치하기 위한 연료 다발(fuel bundle)로서,
    이산화토륨을 포함하는 제1 연료 엘리먼트;
    제1 핵분열성 내용물(fissile content)을 가진 우라늄을 포함하는 제2 연료 엘리먼트; 및
    상기 제1 핵분열성 내용물과는 상이한 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는 제3 연료 엘리먼트
    를 포함하고,
    상기 제1 연료 엘리먼트, 상기 제2 연료 엘리먼트 및 상기 제3 연료 엘리먼트는 공통된 냉각제가 상기 제1 연료 엘리먼트, 상기 제2 연료 엘리먼트 및 상기 제3 연료 엘리먼트 각각에 걸쳐서 유동하도록 배열되는, 연료 다발.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  15. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연료 엘리먼트와 상기 제3 연료 엘리먼트 중 하나 이상에 포함되어 있는 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 열화 우라늄(depleted uranium), 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄, 및 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄 중 하나 이상과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  16. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 연료 엘리먼트와 상기 제3 연료 엘리먼트 중 하나 이상에 포함되어 있는 상기 우라늄이 가연성 독물(burnable poison)과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  17. 제2항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 연료 엘리먼트에 포함된 상기 이산화토륨이 가연성 독물과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 엘리먼트가 이산화토륨의 봉(rod)을 포함하는, 연료 다발.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제2 연료 엘리먼트가, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄의 봉을 포함하는, 연료 다발.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 제3 연료 엘리먼트가, 상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄의 봉을 포함하는, 연료 다발.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 엘리먼트가, 이산화토륨을 함유하는 관(tube)을 포함하는, 연료 다발.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제2 연료 엘리먼트가, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 관을 포함하는, 연료 다발.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 엘리먼트가, 상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 관을 포함하는, 연료 다발.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연료 엘리먼트가, 이산화토륨을 함유하는 복수 개의 제1 관을 포함하는, 연료 다발.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 관이, 이산화토륨을 함유하는 7개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 관이, 이산화토륨을 함유하는 8개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 제2 연료 엘리먼트가, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 복수 개의 제2 관을 포함하고, 이산화토륨을 함유하는 상기 복수 개의 제1 관으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 설치되어 있는, 연료 다발.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 관이, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 12개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 관이, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 14개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  30. 제27항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 관 중 하나 이상이, 상기 복수 개의 제1 관 중 하나 이상과는 상이한 단면 크기를 가지는, 연료 다발.
  31. 제27항에 있어서,
    상기 제3 연료 엘리먼트가, 상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 복수 개의 제3 관을 포함하고, 상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 상기 복수 개의 제2 관으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 설치되어 있는, 연료 다발.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 복수 개의 제3 관이, 상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 18개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 복수 개의 제3 관이, 상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 함유하는 21개의 평행한 관을 포함하는, 연료 다발.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 복수 개의 제3 관 중 하나 이상이, 상기 복수 개의 제1 관 중 하나 이상과는 상이한 단면 크기를 가지는, 연료 다발.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 복수 개의 제3 관 중 하나 이상이, 상기 복수 개의 제2 관 중 하나 이상과는 상이한 단면 크기를 가지는, 연료 다발.
  36. 제31항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  38. 제36항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  39. 제36항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  40. 제36항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  41. 제31항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  42. 제41항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  43. 제41항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  44. 제41항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  45. 제41항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  46. 제31항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  48. 제46항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  49. 제46항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  50. 제31항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  51. 제50항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  52. 제50항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  53. 제50항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  54. 제50항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  55. 제31항에 있어서,
    상기 제1 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 1.25중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  56. 제55항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 1.70중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  57. 제32항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 관과 상기 복수 개의 제3 관 중 하나 이상에 포함되어 있는 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 열화 우라늄, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄, 및 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄 중 하나 이상과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  58. 제32항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 관과 상기 복수 개의 제3 관 중 하나 이상에 포함되어 있는 상기 우라늄이 가연성 독물과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  59. 제32항 내지 제56항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 관에 포함되어 있는 이산화토륨이 가연성 독물과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  60. 제31항에 있어서,
    제4 연료 엘리먼트를 추가로 포함하는, 연료 다발.
  61. 제60항에 있어서,
    상기 제4 연료 엘리먼트가 하나 이상의 관을 포함하는, 연료 다발.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 관이, 상기 제4 연료 엘리먼트의 하나 이상의 관으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 설치되어 있는, 연료 다발.
  63. 제62항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관이 이산화토륨을 포함하는, 연료 다발.
  64. 제62항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관이 가연성 독물을 포함하는, 연료 다발.
  65. 제62항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관이, 제3 핵분열성 내용물을 가진 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  66. 제65항에 있어서,
    상기 제3 핵분열성 내용물이, 상기 제1 핵분열성 내용물 및 상기 제2 핵분열성 내용물 중 하나 이상과는 상이한, 연료 다발.
  67. 제65항에 있어서,
    상기 제3 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  68. 제65항에 있어서,
    상기 제3 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  69. 제65항에 있어서,
    상기 제3 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  70. 제65항에 있어서,
    상기 제3 핵분열성 내용물을 가진 상기 우라늄이, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄을 포함하는, 연료 다발.
  71. 제61항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관에 포함되어 있는 상기 제4 연료 엘리먼트가, 0.72중량% 내지 1.2중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 재생 우라늄, 0.2중량% 내지 0.5중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 열화 우라늄, 0.9중량% 내지 3중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 약간 농축된 우라늄, 0.71중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 천연 우라늄, 3중량% 내지 20중량%의 235U인 핵분열성 내용물을 가진 저농축 우라늄, 및 가연성 독물 중 하나 이상과 함께 포함되어 있는, 연료 다발.
  72. 제1항 내지 제14항, 제18항 내지 제56항 및 제60항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 핵분열성 내용물의 농도가 상기 제1 핵분열성 내용물의 농도보다 더 높은, 연료 다발.
  73. 가압 유체의 관; 및
    제1항 내지 제14항, 제18항 내지 제56항 및 제60항 내지 제70항 중 어느 한 항의 연료 다발
    을 포함하는, 원자로.
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